Analyse av omrøringsventilasjon med romoppvarming
Rikke Berg Hannevik
Master i energi og miljø
Hovedveileder: Per Olaf Tjelflaat, EPT Medveileder: Laurant Georges, EPT
Institutt for energi- og prosessteknikk Innlevert: juli 2016
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
Forord
Denne masteroppgaven er min avsluttende oppgave for det femårige studiet Energi og Miljø.
Den har blitt utarbeidet ved Institutt for Energi- og Prosessteknikk ved Norges Teknisk- Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) i Trondheim våren 2016.
Jeg ønsket å skrive en interessant og utfordrende oppgave, som var så aktuell som mulig og aller helst var knyttet opp til et konkret, pågående prosjekt. Jeg tok derfor kontakt med GK og sammen med min veileder fikk vi laget en oppgave der jeg skulle få jobbe med flere simuleringsprogram for å se på omrøringsventilasjon i et bygg som var under prosjektering.
Resultatet av dette ble et utrolig spennende år med mye jobbing, lesing, hodepine og store utfordringer, men ikke minst et fantastisk lærerikt år.
Jeg vil rette en stor takk til min veileder Per Olaf Tjelflaat for faglige diskusjoner, hjelp til å finne litteratur, god veiledning og spennende samtaler gjennom semesteret.
Jeg vil også takke Laurent Georges for veiledning og hjelp i ANSYS og ikke minst Jakub Dziedzic – som har holdt ut med alle spørsmålene mine angående ANSYS Fluent og modellen min.
En takk også til Dag Rune Stensaas for en case til oppgaven min og alle på GK som har bidratt med informasjon og hjelp.
Sist men ikke minst - en stor takk til alle som har vært med på mange og lange diskusjoner gjennom semesteret.
Rikke Berg Hannevik Trondheim, juli 2016
Sammendrag
I Norge står drift av bygninger for rundt 40 % av det totale energibruket. Det er derfor, både av hensyn til miljø og økonomi, blitt et sterkt fokus på energieffektivisering.
En kombinasjon av omrøringsventilasjon og romoppvarming ved hjelp av overtemperatur på tilluften ble prøvd ut på 70-tallet. Dette ble gjort for å unngå installasjon av varmekilder i rommene. Resultatet ble ofte store forskjeller i temperatursjiktene og dårlig luftkvalitet i nedre halvdel av rommet. Siden den gang har fasadene i bygg blitt vesentlig tettere og bedre isolert og løsningen med romoppvarming ved hjelp av omrøringsventilasjon har derfor blitt re- introdusert.
Hensikten med denne oppgaven var å analysere det termiske inneklimaet når ventilasjon benyttes som eneste oppvarmingskilde. Kontorbygget skal tilfredsstille krav til lavenergibygg (2015) og benytte ventilasjonssystem og aktive tilluftsventiler fra Lindinvent. Det er tatt utgangspunkt i et kontorbygg som er i prosjekteringsfasen og som skal bli oppført i Trondheim.
Første del av oppgaven består av en litteraturstudie der hovedfokuset har vært på inneklima i et cellekontor med valgt ventilasjonsløsning, presentasjon av Lindinventsystemet, i tillegg er en kort beskrivelse av et alternativt system som har ventilasjon som oppvarmingskilde, samt tidligere forskning. Det er deretter gjort en analyse av et cellekontor med samme design som i det aktuelle bygget. Betydning av varmetap gjennom fasade og valgt ventilasjonsløsning ble vurdert via beregninger og CFD-simuleringer. Det er valgt å se på ulike parametre som tilluftsmengder, tilluftstemperatur og U-verdi i fasade. CFD-simuleringene ble gjort med en person, en PC og en skjerm i rommet. Det er også kjørt simuleringer for et tomt cellekontor og for endret plassering av avtrekk. Den ene fasaden tilfredsstiller kravene til bygget som er i prosjekteringsfasen, mens den andre fasaden som er analysert tilfredsstiller krav fra 1969.
Fasaden fra 1969 er inkludert i studien for å se hvor stor påvirkning varmetap gjennom fasaden har på inneklimaet og luftstrømninger og for å kunne sjekke hvorfor et system med ventilasjon som eneste klimatiseringskilde kan fungere i dag selv om det ikke fungerte på 1970-tallet. På 70- tallet ville valg av tilluftstemperaturer og luftmengder vært annerledes enn i dag, men det er valgt å holde disse parameterne like for å kunne sammenligne resultatene.
Resultatene i denne oppgaven viser at romoppvarming med tilluft er svært lite effektivt for et kontor med fasade fra 1969. Det blir lav ventilasjonseffektivitet, høy grad av eksponering av forurensing og for kaldt når det blir brukt samme ventilasjonsløsning som er valgt for kontoret med fasade fra 2015.
Simuleringsresultatene der fasaden tilfredsstiller kravene til lavenergibygg viste derimot at inneklimaet blir tilfredsstillende med valgt oppvarmings- og ventilasjonsløsning. Alle de analyserte parameterne; gjennomsnittstemperaturer i rommet, temperaturforskjell mellom ankel og hode, lufthastigheter, ventilasjonseffektivitet og forurensingseksponering er innenfor de spesifiserte kravene. Temperaturen i rommet er hovedsakelig avhengig av tilluftstemperaturen og varmetap gjennom fasaden, mens ventilasjonseffektiviteten og grad av
forurensingseksponering er avhengig av tilført luftmengde. Ved bruk av lave tilluftsmengder og overtemperatur er det fare for kortslutningsventilasjon og bør derfor unngås.
Konklusjonen er derfor at det vil bli et tilfredsstillende inneklima ved bruk av ventilasjon som eneste klimatiseringskilde dersom fasaden tilfredsstiller kravene til et lavenergibygg og det benyttes aktive tilluftsventiler.
Abstract
In Norway, operation of buildings counts for 40 % of the total energy consumption. It is therefore, both for environmental and economic reasons, a great focus on energy efficiency.
A combination of mixing ventilation and space heating by using heated supply air was tested in the 70’s. This was done to avoid installation of local heaters in the rooms. The result was often a significant degree of temperature stratification and poor air quality in the lower half of the room. Today the outer walls of buildings have become significantly less permeable and with better insulation and the solution with space heating by mixing ventilation has therefore been re-introduced.
The purpose of this thesis was to analyze the indoor climate when ventilation is used as the sole heating source. The office building will meet requirements for low energy buildings (2015) and use a ventilation system with active supply diffusors from Lindinvent. The analyzed cell office is based on an office building, which is to be built in Trondheim currently in the design phase.
The first part of the thesis consists of a literature study where the focus has been on indoor air quality in a cell office with the selected ventilation concept, presentation of the Lindinvent system as well as a short description of an alternative system that has ventilation as heating source and previous research. In the second part an analysis of a cell office with the same design as in the planned building has been conducted. The effect of heat loss through the outer wall, and use of the selected ventilation system was evaluated by calculations and CFD simulations.
Different parameters such as supply air quantities, supply air temperatures and U-values in the outer wall were analyzed. The CFD simulations were conducted with a person, a PC and a monitor in the room. Simulations were also run for an empty cell office and changed location of the exhaust valve. One of the modeled outer walls meets today’s requirements for low energy buildings, while the other analyzed outer wall satisfies requirements from 1969. The outer wall from 1969 is included in the study in order to analyze the impact of the heat loss through the outer wall on the indoor climate and air movement, and thus to check why a system with ventilation as the only heating source may work today even though it did not work in the 1970s.
In the 70’s the supply air temperature and air flow rates would have been different from today, but it was decided to keep these parameters the same, enabling comparison of the results.
The results in this thesis show that heating with supply air was very inefficient for an office with outer wall from 1969. The ventilation efficiency is low, the degree of pollution exposure is high and it is too cold inside the office when assuming the same ventilation concept.
The simulation results where the outer wall meets today’s requirements for low energy buildings show that the indoor climate is satisfactory with selected heating and ventilation solutions. All the analyzed parameters; average temperatures in the room, the temperature difference between ankle and head, air velocities, ventilation efficiency and pollution exposure is within the specified requirements. The room temperature is mainly dependent on the supply air temperature and the heat loss through the outer wall, while the ventilation efficiency and
pollutant exposure depends on the air supply quantity. By using low supply air flows and high temperatures there is a risk of short circuiting ventilation and this should therefore be avoided.
The conclusion is that there will be satisfactory indoor air quality using ventilation as the only climatization source, if the outer wall meets today’s requirements for a low energy building and active supply air diffusers are used.
Innholdsfortegnelse
Forord ... i
Sammendrag ... iii
Abstract ... v
Innholdsfortegnelse ... vii
Figurliste ... xi
Tabelliste ... xvii
Ordliste ... xix
1. Innledning ... 1
2. Teori ... 3
2.1. Lavenergibygg og generelle krav ... 3
2.1.1. Definisjoner og løsninger ... 3
2.1.2. Krav og forskrifter ... 4
2.2. Inneklima ... 5
2.2.1. Termisk komfort ... 6
2.2.2. Atmosfærisk miljø – forurensing ... 8
2.2.3. PPM/PPD ... 11
2.2.4. Internt varmetilskudd ... 13
2.2.5. Kaldras ... 13
2.2.6. Luftmengder ... 13
2.3. Ventilasjon ... 13
2.3.1. Generelle krav til ventilasjon ... 13
2.3.2. Omrøringsventilasjon ... 14
2.3.3. Behovsstyrt ventilasjon ... 14
2.3.4. Variable luftmengder ... 15
2.3.5. Sensor ... 15
2.3.6. Balansert ventilasjon ... 15
2.3.7. Tosone modell ... 15
2.4. Varmetap ved varmeledning ... 16
2.5. Luftstrømmer ... 17
2.5.1. Frie konveksjonsstrømmer ... 17
2.5.2. Konveksjonsstrøm langs varme og kalde flater ... 20
2.5.3. Horisontale stråler ... 22
2.5.4. Arkimedestall ... 23
2.6. Stråling ... 23
2.7. Ventilasjonseffektivitet ... 24
2.8. Lindinvent ... 25
2.8.1. Prinsipp ... 25
3. Tidligere forskning ... 33
3.1. Lindinvent ... 33
3.2. ForKlima – CFD simulering ... 36
3.3. ForKlima – feltmålinger ... 39
4. Andre systemer ... 43
4.1. Lindab SOLUS ... 43
5. Presentasjon av valgt cellekontor for egen analyse ... 45
6. Analyse av valgt cellekontor ... 49
6.1. Luftmengder ... 49
6.2. Varmetap gjennom fasade ... 49
6.3. Luftstrømmer langs fasade ... 53
6.4. Stråling ... 54
7. Simuleringer ... 57
7.1. Tegneprogrammet Inventor ... 57
7.2. Simuleringsprogrammet ANSYS Fluent ... 57
7.2.1. Hvordan programmet fungerer ... 57
7.3. Ulike scenarier ... 59
7.4. Oppsett av modell i ANSYS ... 61
7.4.1. Geometri ... 61
7.4.2. Meshing ... 62
7.4.3. Fluent ... 64
8. Resultater fra ANSYS Fluent og analyse ... 67
8.1. Tomt kontor uten inventar, 40 l/s, 25 °C ... 68
8.1.1. Temperaturfordeling i rommet ... 68
8.1.2. Hastighetsfordeling i rommet ... 70
8.1.3. Kommentarer ... 71
8.2. Valgt cellekontor med inventar ... 71
8.2.1. Temperaturprofiler ... 71
8.2.2. Hastighetsprofil ... 95
8.2.3. Ventilasjonseffektiviteter ... 112
8.3. Avtrekk ved gulv ... 120
8.4. Oppsummering av resultater ... 122
9. Diskusjon ... 125
9.1. Resultater fra CFD-simuleringer ... 126
9.1.1. Tomt kontor uten inventar ... 126
9.1.2. Valgt cellekontor med inventar ... 126
9.2. Analyse av valgt cellekontor ... 131
9.3. Tidligere forskning ... 132
10. Konklusjon ... 135
11. Videre arbeid ... 137
Bibliografi ... 139 VEDLEGG ... I A. Utregning av lufthastigheter og luftmengder på 250-ventil ... III B. Utregning av kastelengder ved gitt tilluftsmengder og kritisk hastighet ... V C. Varmetap gjennom vegg og vindu ... VII D. Luftstrøm langs fasade ... IX E. Verdier i ANSYS Fluent ... XI
F. Utregning av eksponering ... XVII G. Excelarket bak diagrammer til oppsummering av resultater ... XIX H. Tillatelse til bruk av tabeller og figurer fra Byggforsk ... XXI
Figurliste
Figur 1 Sammenhengen mellom energikarakter og oppvarmingskarakter basert på illustrasjon av Norges vassdrags- og energidirektorat (2014). Denne
energikarakteren viser et passivhus med lav andel el. og fossil energikilde. ... 3
Figur 2 Samvirkning av parametre som påvirker termisk komfort, basert på Novakovic et al. (2007) ... 7
Figur 3 Sammenheng mellom PPD og PMV. Basert på Illustrasjon: Byggforskserien 421.501 (SINTEF Byggforsk, 1999) ... 12
Figur 4 Prosent misfornøyde som funksjon av forskjellen mellom lufttemperatur i hode- og ankelhøyde. Illustrasjon: Byggforskserien 421.501 (SINTEF Byggforsk, 1999) ... 12
Figur 5 Prinsipp for omrøringsventilasjon med radiell don i himling. ... 14
Figur 6 De ulike sonene i et rom med omrøringsventilasjon. ... 16
Figur 7 Fordeling av forurensing og luftstrømmer ved omrøringsventilasjon. ... 16
Figur 8 Fri konveksjonsstrøm (Skåret, 2000: s. 66) ... 18
Figur 9 Beregnet konveksjonsstrøm over en sittende person med 100W der 50 % er konveksjon, beregnet ved bruk av formel (12) ... 20
Figur 10 T.v : Skjematisk illustrasjon av kaldras (Skåret, 2000: 203) t.h: Kaldras som avbøyes av et vindusbrett eller et brett (Skåret, 2000: 206) ... 21
Figur 11 Aktivt tilluftsdon fra Lindinvent. Størrelsen mellom platene, spjeldhøyden, vil øke eller minke med luftmengdebehov i rommet for å oppnå konstant hastighet og kastelengde (Lindinvent, 2015d) ... 27
Figur 12 Lindinvent ventiler i to størrelser. 250 (t.v.) og 400 (t.h.) ... 27
Figur 13 Lindinvent ventil med ulike spaltehøyder (fra øverst: minimal, et sted imellom, maksimal lysåpning). ... 28
Figur 14 Oppbygging av en TTC lindinventventil (Lindinvent, 2016) ... 28
Figur 15 Beregnet hastighet ut av ventil ved L0,2 ved 3 ulike kastelengder. Beregnet ved bruk av ligning (26) ... 30
Figur 16 Beregnet luftmengde fra ventil ved varierende spaltehøyde, med kritisk hastighet 0,2. Beregnet ved bruk av ligning (29) ... 30
Figur 17 Beregnet hastighet ut av ventil ved L0,2 ved 3 ulike kastelengder. Beregnet ved bruk av ligning (26) ... 31
Figur 18 Beregnet luftmengde fra ventil ved varierende spaltehøyde, med kritisk hastighet 0,15. Beregnet ved bruk av ligning (29) ... 31
Figur 19 Beregnede kastelengder for 5 ulike spalteåpninger og isoterm innblåsing ... 32
Figur 20 Beregnede kastelengder for 5 ulike spalteåpninger og isoterm innblåsing ... 32
Figur 21 CFD-simulering av lufthastigheter i et rom med 15°C tilluft og 15 l/s (Lindinvent, 2015b) ... 33
Figur 22 CFD-simulering med tverrsnitt av lufthastigheter i et rom med 15°C tilluft og 15 l/s
(Lindinvent, 2015b)... 34
Figur 23 CFD-simulering med tverrsnitt av temperaturfordeling et rom med 15°C tilluft og 15 l/s (Lindinvent, 2015b) ... 34
Figur 24 CFD-simulering av lufthastigheter i et rom med 15°C tilluft og 10 l/s (Lindinvent, 2015b) ... 35
Figur 25 CFD-simulering med tverrsnitt av lufthastigheter i et rom med 15°C tilluft og 10 l/s (Lindinvent, 2015b)... 35
Figur 26 CFD-simulering med tverrsnitt av temperaturfordeling et rom med 15°C tilluft og 10 l/s (Lindinvent, 2015b) ... 36
Figur 27 Cellekontor for CFD-simulering med 460 000 beregningsceller. (Venås et al., 2011) ... 37
Figur 28 CFD-simulering av lufthastighet ut fra en Lindinventventil med ... 38
Figur 29 Luftutvekslingseffektivitet som funksjon av omgivelsestemperaturen når ventilasjonen er brukt til oppvarming. Stiplede linjer er gjennomsnittet for hele rommet, mens heltrukne linjer er for 1,1 m over gulvet ved siden av pulten. ... 38
Figur 30 Skisse som viser tolkningen av virkemåten av de studerte strømmeneve (Venås et al., 2011)... 39
Figur 31 SOLUSsystemet med kjøling på solsiden med kjølebehov og oppvarming på motsatt side (Lindab, 2015)... 43
Figur 32 Vanntemperatur i SOLUSsystemet for 50 % oppvarmingsbehov (t.v.), 100 % kjølebehov (midten) og 100 % oppvarmingsbehov (t.h) (Lindab, 2016) ... 44
Figur 33 Systemskisse av baffel fra Lindab (Norouzi et al., n.d.) ... 44
Figur 34 Snitt med tanke på ventilplassering. Tilluft fra radielt don i taket, og avtrekk fra kontor via overstrømning. ... 45
Figur 35 3D tegning av et cellekontor med luftens bevegelsesretning ... 46
Figur 36 Beregnet varmetap gjennom hele fasaden, som en helhet med kuldebroer, per ΔT.. 51
Figur 37 Beregning av varmetapstall gjennom vegg og vindu ... 52
Figur 38 Beregnet overflatetemperatur innside vegg og vindu ... 52
Figur 39 Beregnede hastigheter nederst på vindu og vegg ... 53
Figur 40 Beregnede luftmengder ned i sjiktet ... 54
Figur 41 Innredning importert fra Inventor til ANSYS. ANSYS Geometri ... 61
Figur 42 Modellen i ANSYS Design Modeler ... 62
Figur 43 Detaljer over meshet. ANSYS Meshing ... 63
Figur 44 Snitt av rommet som viser meshet med 0,0074 m høy ventil. ANSYS Meshing ... 64
Figur 45 Valgt snitt gjennom kontoret sett fra to ulike vinkler. ... 67
Figur 46 Eksempel på et snitt i XY-planet ... 67
Figur 47 Temperaturer i rom med fasade fra 1969. Fra øverst til venstre: 0,10 m, 0,50 m, 1,00 m, 1,50 m, 2,68 m over gulvet, vertikalt snitt gjennom rommet ... 69 Figur 48 Temperaturer i rom med fasade fra 2015. Fra øverst til venstre: 0,10 m, 0,50 m,
1,00 m, 1,50 m, 2,68 m over gulvet, vertikalt snitt gjennom rommet ... 69 Figur 49 Hastigheter i rom med fasade fra 1969. Fra øverst til venstre: 0,10 m, 0,50 m, 1,00
m, 1,50 m, 2,68 m over gulvet, vertikalt snitt gjennom rommet ... 70 Figur 50 Hastigheter i rom med fasade fra 2015. Fra øverst til venstre: 0,10 m, 0,50 m, 1,00
m, 1,50 m, 2,68 m over gulvet, vertikalt snitt gjennom rommet ... 71 Figur 51 Temperaturfordeling i case 7, 25 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 2015. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 73 Figur 52 Temperaturfordeling i case 8, 25 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 75 Figur 53 Temperaturfordeling i case 8, 25 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet.
Temperaturskalaen her går fra 16 -26 °C ... 76 Figur 54 Temperaturfordeling i case 5, 25 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra
2015. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 79 Figur 55 Temperaturfordeling i case 6, 25 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra
1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 81 Figur 56 Temperaturfordeling i case 6, 25 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra
1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet.
Temperaturskalaen her går fra 16 -26 °C ... 82 Figur 57 Temperaturfordeling i case 5, 21 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 2015. Øverst vises et snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY- planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 85 Figur 58 Temperaturfordeling i case 6, 21 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 87 Figur 59 Temperaturfordeling i case 6, 21 °C tilluft og maksimale luftmengder med fasade
fra 1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet.
Temperaturskalaen går her fra 14 – 26 °C ... 88
Figur 60 Temperaturfordeling i case 1, 21 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra 2015. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 91 Figur 61 Temperaturfordeling i case 8, 21 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra
1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet ... 93 Figur 62 Temperaturfordeling i case 8, 21 °C tilluft og minimale luftmengder med fasade fra
1969. Øverst er det vist et vertikalt snitt gjennom rommet, nederst til venstre er et snitt i XY-planet 0,1 m over bakken og nederst til høyre 1,1 m over gulvet.
Temperaturskalaen går her fra 14 – 26 °C ... 94 Figur 63 Hastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for case
1. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet. ... 97 Figur 64 Hastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for case
2. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet. ... 99 Figur 65 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 3. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 101 Figur 66 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 4. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 103 Figur 67 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 5. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 105 Figur 68 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 6. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 107 Figur 69 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 7. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 109 Figur 70 Lufthastigheter i rommet sett ved hjelp av snitt gjennom rommet og i XY-plan for
case 8. Nederst til høyre viser 0,1 m over gulvet, mens nederst til venstre viser 1,1 m over gulvet... 111 Figur 71 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 1 ... 112 Figur 72 Tilført forurensing fra person i rommet sett og i snitt gjennom rommet for scenario
2 ... 113 Figur 73 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 3 ... 114
Figur 74 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for scenario 4 ... 115 Figur 75 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 5 ... 116 Figur 76 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 6 ... 117 Figur 77 Tilført forurensing fra person i rommet i snitt gjennom rommet for scenario 7 ... 118 Figur 78 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 8 ... 119 Figur 79 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 9. Avtrekk ved gulvet... 121 Figur 80 Tilført forurensing fra person i rommet sett i vertikalt snitt gjennom rommet for
scenario 10. Avtrekk ved gulvet... 121 Figur 81 Diagrammer over resultater for: A – Eksponering, B – Ventilasjonseffektiviteten,
C – Temperaturdifferanse mellom ankel og hode, D – Gjennomsnittstemperatur i rommet for alle simuleringen, E – Oppvarmingseffekt tilført rommet via
ventilasjon, F – Arkimedestallet, G – sammenheng mellom arkimedestallet og ventilasjonseffektiviteten ... 124 Figur 82 Temperaturer i et tomt cellekontor. T.v. fasade fra 2015, t.h. fasade fra 1969 ... 126 Figur 83 Temperaturer i rommet for scenario med tilluftstemperaturer på 25 °C. ... 127 Figur 84 Temperaturer i rommet for scenario med tilluftstemperaturer på 21 °C. A: Fasade
fra 2015 og maksimale luftmengder. B: Fasade fra 2015 og minimale
luftmengder. ... 128 Figur 85 Lufthastigheter i rom med tilluftstemperatur på 25 °C. A: Fasade fra 2015 og
maksimale luftmengder. B: Fasade fra 1969 og maksimale luftmengder. C: Fasade fra 2015 og minimale luftmengder. D: Fasade fra 1969 og minimale luftmengder 129 Figur 86 Forurensingskonsentrasjon i rom med tilluft på 25 °C. A: Fasade fra 2015 og
maksimale luftmengder. B: Fasade fra 1969 og maksimale luftmengder. C: Fasade fra 2015 og minimale luftmengder. D: Fasade fra 1969 og minimale luftmengder 130 Figur 87 Utregning av luftmengder og lufthastigheter fra 250-ventil ved bestemte
kastelengde L0,2 ... III Figur 88 Utregning av luftmengder og lufthastigheter fra 250-ventil ved bestemte
kastelengder L0,15 ... IV
Tabelliste
Tabell 1 Minstekrav til bygningsdeler, komponenter, systemer og lekkasjetall. Basert på Standard Norge (2012: s. 13) og Direktoratet for byggkvalitet (2011)... 4 Tabell 2 Energikarakterskalaen. Krav til maks levert energi per oppvarmet m2 basert på
illustrasjon fra Norges vassdrags- og energidirektorat (2015) ... 5 Tabell 3 Oppvarmingskarakter. Karakter ut fra maksimalt tillatt andel direkte elektrisitet og
fossilt brensel (Norges vassdrags- og energidirektorat, 2015) ... 5 Tabell 4 Faktorer som påvirker innemiljøet og hva slags parametre som påvirker de ulike
faktorene ... 6 Tabell 5 Anbefalte verdier for operativ temperatur (samlet virkning av lufttemperatur og
termisk stråling). Basert på Direktoratet for byggkvalitet (2011: kap.13–4) ... 8 Tabell 6 Eksempel på anbefalinger for ulike faktorer med 3 ulike kategorier. Kategori 1:
15 % misfornøyde, kategori 2: 20 % misfornøyde og kategori 3: 30 % misfornøyde.
Basert på tabell i Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000) ... 8 Tabell 7 Bygningsmateriale klassifisert etter emisjonsfaktor. Basert på illustrasjon:
Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000) ... 9 Tabell 8 Total luftmengde for ulike typer lokale og tre klimakategorier og lavemmiterende
og kjente, gode materialer. Basert på llustrasjon: Byggforskserien 421.505
(SINTEF Byggforsk, 2000) ... 10 Tabell 9 Tre nivåer av oppfattet innendørs luftkvalitet. Basert på Fanger (1992) ... 10 Tabell 10 Grunnlaget for PMV-indeksen: 7 punkt skalaen ... 11 Tabell 11 Tre nivåer for termisk inneklima, angitt i prosent misfornøyde med hensyn til
generell komfort og lokal diskomfort. Illustrasjon: Byggforskserien 421.505
(SINTEF Byggforsk, 2000) ... 11 Tabell 12 Veiledende verdier for endring i kastelengde ved under- og overtemperatur.
Basert på Ingebrigtsen (2015: s.433) ... 22 Tabell 13 Veiledende verdier for ventilasjonseffektivitet. Basert på (Ingebrigtsen, 2015: s.
429) ... 25 Tabell 14 Produktinformasjon om TTC aktiv tilluftsventil fra Lindinvent... 27 Tabell 15 Verdier for Miljøhuset GK (Thunshelle et al., 2014) ... 39 Tabell 16 Verdier for målinger gjort av Cablé et al., (2014a) ... 40 Tabell 17 Utetemperatur hvor ulik overtemperatur behøves for ulike tilluftsmengder. Basert
på (Thunshelle et al., 2014) ... 41 Tabell 18 Verdier for et cellekontor i Klæbuveien 196A der kravene tilsvarer et ønske om
energiklasse B ... 46 Tabell 19 Maksimale luftmengder og bevegelse i utvalgt område 2. etg, i driftstid ... 49 Tabell 20 Minimale luftmengder og bevegelse i utvalgt område 2. etg, i driftstid ... 49 Tabell 21 U-verdier for 1969 og 2015 ... 50
Tabell 22 Beregning av varmetapstall gjennom fasaden som en helhet ... 50 Tabell 23 Beregning av varmetapstall gjennom vegg og vindu ... 51 Tabell 24 De ulike scenariene som skal simuleres ... 60 Tabell 25 Overflatearealer i ANSYS Fluent modell ... 62 Tabell 26 Inndeling av overflater med navn og forklaring som er gitt i ANSYS Fluent ... 63 Tabell 27 Gjennomsnittlig temperatur for to snitt i XY-planet, henholdsvis 0,1 m og 1,1 m
over gulvet, temperaturdifferansen og gjennomsnittstemperaturen for hele rommet for scenario 1 og 2 ... 72 Tabell 28 Gjennomsnittlig temperatur for to snitt i XY-planet, henholdsvis 0,1 m og 1,1 m
over gulvet, temperaturdifferansen og gjennomsnittstemperaturen for hele rommet for scenario 3 og 4 ... 77 Tabell 29 Gjennomsnittlig temperatur for to snitt i XY-planet, henholdsvis 0,1 m og 1,1 m
over gulvet, for scenario 5 og 6 ... 83 Tabell 30 Gjennomsnittlig temperatur for to snitt i XY-planet, henholdsvis 0,1 m og 1,1 m
over gulvet, for scenario 7 og 8 ... 89 Tabell 31 Maksimale hastigheter i XY-planet 0,1 m og 1,1 m over gulvet for scenario 1 og
2 ... 95 Tabell 32 Maksimale hastigheter i XY-planet 0,1 m og 1,1 m over gulvet for scenario 3 og
4 ... 100 Tabell 33 Maksimale lufthastigheter i XY-planet 0,1 m og 1,1 m over gulvet for scenario 5
og 6 ... 104 Tabell 34 Maksimale lufthastigheter i XY-planet 0,1 m og 1,1 m over gulvet for scenario 7
og 8 ... 108 Tabell 35 Ventilasjonseffektivitet for case 1 og 2 ... 112 Tabell 36 Ventilasjonseffektivitet for case 3 og 4 ... 114 Tabell 37 Ventilasjonseffektivitet for case 5 og 6 ... 116 Tabell 38 Ventilasjonseffektivitet for case 7 og 8 ... 118 Tabell 39 Ventilasjonseffektivitet i case 9 og 10 ... 120 Tabell 40 Oppsummering av alle simuleringsresultater ... 122 Tabell 41 Ventilasjonseffektivitet i case 1, 2, 9 og 10 ... 131 Tabell 42 Resultater av sjekk og kvalitetsrapport Ansys Fluent ... XI Tabell 43 Input i Modeller ... XI Tabell 44 Materialer og deres egenskaper som er lagt inn i Ansys Fluent ... XI Tabell 45 Grensebetingelser i Ansys Fluent ... XIII
Ordliste
Ord og forkortelser brukt i oppgaven
AHU Air Handling Unit - luftaggregat
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers BRA Bruksareal
BTA Bruttoareal
BREEAM Building Research Establishment’s Environmental Assessment Method CAV Constant Air Volume – Konstant luftmengde
CEN Comité Européen de Normalisation
CFD Computational Fluid Dynamics – Databeregnet fluiddynamikk
Clo Isolasjonsverdien mellom hudoverflate og utvendig overflate til bekledning DCV Demand Controlled Ventilation – Behovsstyrt ventilasjon
DUT Dimensjonerende utetemperatur h-1 Luftveksling per time
ISO The International Organization for Standardization Mesh Maskenett i ANSYS Fluent
PMV Predicted Mean Vote – Forventet gjennomsnittlig karakter
PPD Predicted Percentage of Dissatisfied – Forventet prosent misfornøyd RF Relativ luftfuktighet
TEK10 Forskrift for tekniske krav til byggverk 2010 U-verdi Varmegjennomgangskoeffisient
VAV Variable Air Volume – Variable luftmengder WHO Verdens Helseorganisasjon
1. Innledning
I Norge står drift av bygninger for rundt 40 % av det totale energiforbruket og det har derfor blitt et sterkt fokus på energieffektivitet. FNs klimapanel har slått fast at den største og raskeste klimagassreduksjonen vil oppnås ved å energieffektivisere bygninger (Dokka et al. 2009: s.
8 – 9). I Forskrift for Tekniske krav til byggverk (TEK), finner man, blant annet, krav til energiforsyning og energieffektivitet. TEK-kravene oppdateres hvert femte år for hele tiden å være ajour med tanke på ny teknologi og nye miljøkrav. Kravene blir stadig strengere og det er en klar trend mot lavenergihus og passivhus (Direktoratet for byggkvalitet, 2011). Det er viktig at fokuset på å oppnå energieffektive bygg ikke går ut over inneklimaet, og det er derfor blitt et økt fokus på dette temaet også. Det er ønskelig å redusere kostnader knyttet til installasjon og drift av tekniske installasjoner i bygninger uten at det påvirker inneklimaet negativt.
For å oppnå godt inneklima, samtidig som det er et fokus på reduserte kostnader har det blitt prøvd ut ulike metoder for ventilasjon. På 70-tallet ble det testet en kombinasjon av omrøringsventilasjon, avtrekk ved tak og romoppvarming ved å benytte overtemperatur på tilluften. Hensikten var å redusere installasjoner for romoppvarming ved å slippe å benytte radiatorer. Resultatet ble dessverre ofte at det ble liggende et sjikt med ren, varm luft i den øvre delen av rommet som på grunn av dårlig omrøring ikke klarte å blande seg med romluften. Den friske luften ble i stedet ledet langs takflaten til avtrekket uten å blande seg med luften i oppholdssonen. Resultatet ble svært lite effektiv ventilasjon, som kalles kortslutningsventilasjon (Thunshelle et al., 2014). Det ble derfor en uskreven regel i ventilasjonsbransjen at man ikke skulle kombinere romoppvarming og ventilasjon.
Siden den gang har krav og regler for yttervegger og vinduer blitt mye strengere både med hensyn til vindtetting og isolasjon og behovet for romoppvarming har av den grunn sunket.
Løsninger med kombinasjon av romoppvarming og ventilasjon har derfor blitt re-introdusert siden det nå ikke er behov for like mye tilført effekt for oppvarming (ForKlima, 2016).
Denne oppgaven er en videreføring av prosjektoppgaven «Vurdering av inneklima og energibruk i foreslått kontorbygg der ventilasjonsanlegget alene står for klimatiseringen»
(Hannevik, 2015). Kontorbygget som skal analyseres planlegges oppført for GK i Trondheim og tilfredsstiller kravene til et lavenergibygg. Det vil i denne oppgaven være hovedfokus på et typisk cellekontor. Kontoret som skal simuleres blir ventilert ved hjelp av omrøringsventilasjon med tilluftsventil i tak og med avtrekk som overstrømning over dør. Det vil blir brukt Lindinventventiler og Lindinventprinsipp. Ventilasjonen vil stå for all klimatisering av rommet og vil bli benyttet overtemperatur på tilluften når det er oppvarmingsbehov.
Det termiske inneklimaet og ventilasjonsforholdene skal i denne oppgaven analyseres ved ekstrem vintertemperatur, definert som -20 ºC. Det har i løpet av de siste ti årene kun vært 6 dager der gjennomsnittstemperaturen i løpet av dagen har vært lavere enn dette (Meteorologisk Institutt, 2016). Det er med andre ord i snitt mindre enn én dag i året som har lavere gjennomsnittstemperatur enn dette. Betydningen av varmetap gjennom fasaden for romventilasjonen skal undersøkes. Det er ønskelig å komme frem til hvilke krav som må stilles
for at omrøringsventilasjon som eneste oppvarmingskilde skal fungere tilfredsstillende med tanke på luftkvalitet og termisk inneklima.
Første del av oppgaven er en litteraturstudie med fokus på ventilasjon i et cellekontor med omrøringsventilasjon. Resultater fra tidligere forskning, samt erfaring fra andre systemer som har oppvarming ved bruk av ventilasjon blir presentert. I andre del av oppgaven blir det gjort beregninger av varmetap, kaldras osv. i kontoret. Det vil deretter gjennomføres CFD- simuleringer ved hjelp av ANSYS Fluent. Ulike scenarier vil bli studert i Fluent for å se hvor stor påvirkning varmetap gjennom fasade har å si for inneklima og luftstrømninger, samt hva luftmengder og overtemperert tilluft har å si for ventilasjonseffektiviteten. Det vil bli analysert to fasader. Disse fasadene vil tilfredsstille kravene satt for et lavenergibygg (2015) og for et bygg fra 1969. Fasaden som tilfredsstiller kravene fra 1969 er valgt for å studere hva forskjellen i U-verdi har å si for inneklimaet siden en vet at det ikke fungerte på 70-tallet. Det er valgt å bruke samme luftmengder og temperaturer for å kunne studere forskjeller i et cellekontor med de to ulike fasadene, selv om en på 1970-tallet ville brukt høyere temperaturer og større luftmengder. Siste del av oppgaven vil være diskusjon av resultater fra simuleringene og beregningene.
2. Teori
Siden oppgaven er en videreføring av prosjektoppgaven fra 2015 (Hannevik, 2015) vil en del av teorien være den samme som ble benyttet der.
2.1. Lavenergibygg og generelle krav
Passivhus og lavenergihus er et konsept der ulike tiltak reduserer energibehovet slik at det blir lavere enn det dagens forskrifter tilsier (Dokka et al., 2009).
2.1.1. Definisjoner og løsninger
Det finnes ikke noen internasjonal definisjon på hva et lavenergibygg er, men i praksis er det et bygg som er bedre isolert mot varmetap enn byggeforskriftene i dag tilsier. Ved å bruke passive tiltak som varmegjenvinnere, bedre vinduer, god tetthet og så videre blir energiforbruket redusert. Kravene til et lavenergibygg er strengere enn for et vanlig bygg, men ikke like strengt som kravene til passivhus (Innova Bygg, 2013).
Energimerkeordningen ble innført 1. juli 2010. Energimerket består av to deler, en oppvarmingskarakter og en energikarakter, se Figur 1. Målet med energimerkeordningen er å øke fokus på energibruk og å øke bevisstheten rundt ulike oppvarmingsløsninger og andre tiltak som kan gjøre en bygning mer energieffektiv (Energimerking, 2014). Ved å utføre en mer grundig enøk-analyse får bedrifter et godt grunnlag for å se hvilke tiltak som er mest lønnsomme og relevante å gjennomføre for å senke energibruken (Energiråd Innlandet, 2014).
Figur 1 Sammenhengen mellom energikarakter og oppvarmingskarakter basert på illustrasjon av Norges vassdrags- og energidirektorat (2014). Denne energikarakteren viser et passivhus med lav andel el.
og fossil energikilde.
2.1.2. Krav og forskrifter
Det stilles flere og strengere krav til bygninger i dag enn tidligere. Dette tvinger frem nye løsninger som er mer energieffektive og energisparende. Det tilstrebes for eksempel tettere bygningskropper slik at eksfiltrasjon reduseres. Varmegjenvinnere har blitt en selvfølge og vinduer med god U-verdi blir stadig viktigere og vanligere.
For å kunne kalle et bygg for et lavenergihus må man oppfylle gitte krav og forskrifter i tillegg til kriterier som stilles for passivhus og lavenergibygninger. Disse finnes i NS 3701 (Standard Norge, 2012). Det stilles her konkrete krav til maksimalt energibehov til oppvarming, ventilasjon og belysning, U-verdier, luftmengder, komponenter m.m. Passivhus og lavenergibygg er ikke en energistandard, men heller et konsept der inneklima skal tilfredsstilles ved minimalt energibruk. Det er her viktig at hele konseptet blir ivaretatt, ikke bare enkeltkriterier. Tabell 1 viser noen ulike kriterier, samt forskjellene mellom passivhus, lavenergibygninger og TEK10.
Tabell 1 Minstekrav til bygningsdeler, komponenter, systemer og lekkasjetall. Basert på Standard Norge (2012: s. 13) og Direktoratet for byggkvalitet (2011)
Alle
bygningskategorier
Passivhus Lavenergibygning2) TEK10
U-verdier for dører og vinduer
≤ 0,80 W/(m2K) ≤ 1,2 W/(m2K) ≤ 1,6 W/(m2K) Normalisert
kuldebroverdi
≤ 0,03 W/(m2K) ≤ 0,05 W/(m2K) ≤ 0,06 W/(m2K) Årsgjennomsnittlig
temperaturvirkningsgrad for varmegjenvinner
≥ 80 % ≥ 80 % ≥ 80 %
SFP-faktor (spesifikk vifteeffekt) for ventilasjonsanlegg
≤ 1,5 kW/(m3/s) ≤ 2,0 kW/(m3/s) ≤ 2,0 kW/(m3/s)
Lekkasjetall ved 50 Pa trykkdifferanse
≤ 0,60 h-1 ≤ 1,5 h-1 ≤ 3 h-1
Kun yrkesbygninger Passivhus og lavenergibygning Behovsstyring mht.
dagslys
Minst 60 % av effekten til belysning behovsstyres
Behovsstyring mht.
tilstedeværelse
Minst én styringssone per rom eller per 30 m2i større rom
Det finnes flere incentivordninger for å oppfordre til energieffektivisering. En av disse er energimerkeforskriften som er en pålagt energiforskrift (Norges vassdrags- og energidirektorat, 2015). Den har tatt utgangspunkt i NS 3700, TEK10 med flere til å lage en tabell som viser hvilke krav som stilles til de ulike energikarakterene man kan oppnå (Tabell 2). Karakterskalaen går fra A til G og viser hvor mye energi som kan bli levert til et bygg for å få de ulike karakterene. Det er også laget en oversikt for å kunne finne ut hvilke oppvarmingskarakter en vil få (Tabell 3) med tanke på valg av energivare.
Tabell 2 Energikarakterskalaen. Krav til maks levert energi per oppvarmet m2 basert på illustrasjon fra Norges vassdrags- og energidirektorat (2015)
Bygnings- kategorier
Levert energi pr m2 oppvarmet BRA (kWh/m2)
A B C D E F G
≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ Ingen
grense Kontorbygning 90,00 115,00 145,00 180,00 220,00 275,00 > F
Tabell 3 Oppvarmingskarakter. Karakter ut fra maksimalt tillatt andel direkte elektrisitet og fossilt brensel (Norges vassdrags- og energidirektorat, 2015)
2.2. Inneklima
Det er viktig å skille mellom de to begrepene innemiljø og inneklima. Innemiljø omfatter det som påvirker og omgir oss, inkludert estetisk og psykososialt miljø. Inneklima er definert av WHO til kun å omfatte termisk, atmosfærisk, aktinisk, akustisk og mekanisk miljø. Kort fortalt er inneklima en del av begrepet innemiljø (Novakovic et al., 2007: s. 100).
Innemiljø er et komplekst og sammensatt begrep. Det er flere ulike parametre som påvirker innemiljøet og det er en sammenheng mellom flere av parametrene og hvordan det påvirker de som befinner seg i bygget. Flere av faktorene er påvirket av ulike parametre, som vist i Tabell 4, laget etter Ingebrigtsen (2015: s. 83) sin fremstilling av de syv faktorene som omfatter innemiljø.
Tabell 4 Faktorer som påvirker innemiljøet og hva slags parametre som påvirker de ulike faktorene
Faktor Krav Parametre Påvirkes av
Termisk miljø Menneskets varmebalanse
Lufttemperatur Strålingstemperatur Lufthastigheter Luftfuktighet Vertikal
temperaturgradient
Bekledning Oppholdstid Aktivitetsnivå Sinnstilstand
Atmosfærisk miljø
Opplevd luftkvalitet Innhold av:
Gasser Lukter Kjemiske stoffer Partikler
Lufttemperatur Luftfuktighet Oppholdstid
Akustisk miljø Lyd og støy Frekvenser Etterklang Infralyd Lavfrekvent støy
Vibrasjoner Romakustikk
Aktinisk miljø Strålingsmiljø Belysningsnivå Dagslysnivå Lyskildens
fargeegenskaper Blending Flimring
Radiobølger Elektriske felt Radon
Radioaktiv stråling
Mekanisk miljø
Fysisk Ergonomi
Tilpasning på arbeidsplass Apparater
Sittestilling Møblering Estetisk miljø Omgivelsene Det som påvirker sansene
våre
Individuelt Psykososialt
miljø
Mellommenneskelige faktorer
Sosialt miljø Interaksjon
Følelser
Det stilles med andre ord mange ulike krav til inneklima. Disse kravene kan for eksempel være at det skal være behagelig temperatur, det skal ikke være sjenerende lukter eller forurensinger eller trekkfølelse. Det stilles også krav til lydnivå, belysning, statisk elektrisitet og renhold (Byggforsk, 2000).
Denne oppgaven legger hovedvekt på termisk og atmosfærisk miljø siden fokuset er på luftkvalitet og det termiske inneklimaet.
2.2.1. Termisk komfort
Termisk miljø er definert som menneskets varmebalanse og termiske komfort (Novakovic et al., 2007: s. 100). Termisk komfort er en subjektiv sinnstilstand eller følelse der en uttrykker full tilfredshet med de termiske omgivelsene. For å oppnå termisk tilfredshet må
kroppens kjernetemperatur og hudtemperatur gi en følelse av termisk nøytralitet og energiregnskapet må være i balanse. Det er derimot ikke alltid tilstrekkelig at kroppen er termisk nøytral. Lokal avkjøling eller store temperaturgradienter kan gjøre en person utilfreds med omgivelsene da kroppen blir utsatt for stress. Lufttemperaturforskjell mellom hode- og ankelhøyde, målt ved 1,1 m og 0,1 m over gulv, for en sittende person, skal maksimalt være 3 °C (Novakovic et al., 2007: s. 111). Erfaring viser derimot at den ikke burde være høyere enn ca. 2 °C for at maksimalt 5 % blir misfornøyde, se Figur 4 s.12 (Ingebrigtsen, 2015: s. 115).
Det burde heller ikke være høyere lufthastigheter i oppholdssonen enn 0,15 m/s for å unngå trekkfølelse (Arbeidstilsynet, 2013: s. 7).
Termisk komfort blir påvirket av luftens tørrkuletemperatur, termisk stråling, luftens hastighet og turbulens, luftens vanndampinnhold, personens aktivitetsnivå (antall met) og personens bekledningsnivå (i clo), se Figur 2. Det vil også være en viss påvirkning fra oppholdssted, oppholdstid, termiske egenskaper ved gulv og kroppens stilling. Alder, kjønn, sinnstilstand og psykisk legning, sult, metthet, fordøyelse og tretthet vil også påvirke opplevelsen av komfort.
(Byggforsk, 1999) (Novakovic et al., 2007)
Figur 2 Samvirkning av parametre som påvirker termisk komfort, basert på Novakovic et al. (2007)
Det termiske inneklimaet påvirkes av lufttemperatur, temperatur på omgivende flater, lufthastighet og luftfuktighet. Lufttemperaturen er den viktigste faktoren som påvirker termisk komfort, men også lufthastighet er en viktig faktor siden uønsket, lokal kjøling av kroppen kan oppleves som trekk og vil derfor påvirke følelsen av komfort. Luftfuktighet er også en viktig faktor, men de fleste tolererer større variasjon her uten følelse av misnøye. Graden av luftfuktighet som godtas avhenger av temperatur og risiko for mikrobiologisk vekst.
(Novakovic et al., 2007: kap. 4.3) (Byggforsk, 1999)
Tabell 5 viser anbefalte verdier for operativ temperatur, der en stillesittende kontorarbeider antas å ha en met på 1,1 og faller under kategori lett arbeid (SINTEF Byggforsk, 2015).
Tabell 5 Anbefalte verdier for operativ temperatur (samlet virkning av lufttemperatur og termisk stråling). Basert på Direktoratet for byggkvalitet (2011: kap.13–4)
Aktivitetsgruppe Lett arbeid Middels arbeid Tungt arbeid
Temperatur °C 19-26 16-26 10-26
Tabell 6 viser et eksempel på anbefalinger for ulike krav for tre ulike kategorier, der de tre kategoriene refererer til forskjellige innemiljøkvaliteter, med henholdsvis 15, 20 og 30 % misfornøyde (SINTEF Byggforsk, 2000).
Tabell 6 Eksempel på anbefalinger for ulike faktorer med 3 ulike kategorier. Kategori 1: 15 % misfornøyde, kategori 2: 20 % misfornøyde og kategori 3: 30 % misfornøyde. Basert på tabell i Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000)
Kategori
Enhet 1 2 3
Operativ temperatur Vinter °C 21 - 23 20 - 24 19 - 25
Sommer °C 23,5 - 25,5 23 - 26 22 - 27
Intervall manuell temperaturkontroll
K 2 1 -
Lufthastighet Vinter m/s < 0,15 < 0,18 < 0,21
Sommer m/s < 0,18 < 0,22 < 0,25
Vertikal
temperaturforskjell
K < 2 < 3 < 4
Strålingsasymmetri Varmt tak K < 5 < 5 < 7
Kaldt tak K < 14 < 14 < 18
Kald vegg K < 10 < 10 < 13
Varm vegg K < 23 < 23 < 35
Gulvtemperatur °C 19 - 29 19 - 29 17 - 31
Under normale forhold har endringer i luftens fuktighet liten innflytelse på inneklimaet så lenge variasjonsområdet er innenfor 20 - 60 %. Øvre grense for luftfuktighet bestemmes ut fra fare for mikrobiologisk vekst/muggsopp og husstøvmidd og kondensfare med påfølgende bygningsskader. Når alle forhold er tatt i betraktning burde ikke RF være mindre enn 40 % i de to til tre kaldeste vintermånedene. Gjennom de varmeste månedene burde relativ fuktighet være under 70 %. Det burde alltid unngås ekstremt lav luftfuktighet, mindre enn RF 20 %, av hensyn til ulike problemer som uttørking av huden og tørre slimhinner. (SINTEF Byggforsk, 2000)
2.2.2. Atmosfærisk miljø – forurensing
Det atmosfæriske miljøet i et bygg omfatter forurensinger, gasser, damper, fibre og partikler.
Det er derfor en sterk sammenheng mellom ventilasjon og det atmosfæriske miljøet. Hensikten med å ventilere er å tilføre ren luft for respirasjon, å fjerne lukt og skadelige forurensinger og å få temperaturkontroll. Det stilles krav til at inneluften skal oppfattes som frisk og behagelig og det skal være minimal risiko for helseskade ved innånding av inneluft.
(Novakovic et al., 2007: kap.4.4) (Byggforsk, 2000)
Innendørs luftkvalitet er påvirket av fire hovedfaktorer. Disse faktorene er forurensningskilder, rommets utforming, ventilasjonssystemet og renhold. Mengde tilluft som er nødvendig er avhengig av det totale forurensingsbildet og må derfor beregnes for alle tilfeller og dimensjoneres etter belastning. For kontorbygg er de bestemmende faktorene ofte intern varmelast, lukt, løsemidler og støvbelastning. I mange tilfeller er det problematisk å få kjennskap til forurensingsskader og emisjonsforhold og det blir derfor ofte stilt krav ut fra erfaring og skjønn. For å minimere luftmengdebehovet er det viktig å stille krav til forurensningskilder, for eksempel ved å stille krav til bygningsmaterialer. Bygningsmaterialer blir derfor klassifisert etter emisjonsfaktor som (Tabell 7) for å minimere luftbehovet på grunn av materialer. (Novakovic et al., 2007:kap. 4.4) (Byggforsk, 2000)
Tabell 7 Bygningsmateriale klassifisert etter emisjonsfaktor. Basert på illustrasjon: Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000)
Forbindelse Emisjonsfaktor mg/(m2h)
Kategori 1 Kategori 2 Kategori 3 Totalemisjonen av flyktige organiske
forbindelse (TVOC)
< 0,2 < 0,4 > 0,400
Formaldehyd (H2CO) < 0,05 < 0,125 > 0,125
Ammoniakk (NH3) < 0,03 < 0,106 > 0,06
Kreftfremkallende forbindelser (forbindelser av kategori 1 i IARK- klassifisering)
< 0,0005 < 0,0005 > 0,0005
Det kan også stilles krav til hvordan luftkvaliteten oppleves, altså hvor mange som synes avgassing fra materiale føles uakseptabelt. Det er tre kategorier som brukes:
Kategori 1: 15 % misfornøyde Kategori 2: 20 % misfornøyde Kategori 3: 30 % misfornøyde (Byggforsk 2000)
For å komme innenfor en av disse kategoriene stilles det derfor krav til et minimum av luftmengder. De kan beregnes på to måter, ved hjelp av Veiledning til TEK eller på grunnlag av konkret ventilasjonsbehovdokumentasjon. Tabell 8 viser eksempel på personbelastning, p, og materialbelastning, B, avhengig av inneklimakategori som er valgt. (Byggforsk, 2000)
Tabell 8 Total luftmengde for ulike typer lokale og tre klimakategorier og lavemmiterende og kjente, gode materialer. Basert på llustrasjon: Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000)
Lokale Person-
belastning
Kategori Tilluftsmengde for
personbelastning
Tilluftsmengde person- + materialbelastning l/s
per m2
Person/m2 l/s pr. m2
Lav- emmiterende
materialer
Kjente, gode materialer
Cellekontor 0,1 1
2 3
1,0 0,7 0,4
2,0 1,4 0,8
2,5 1,7 0,9 Kontorlandskap 0,07 1
2 3
0,7 0,5 0,3
1,7 1,2 0,7
2,2 1,5 0,8
Konferanserom 0,5 1
2 3
5,0 3,5 2,0
6,0 4,2 2,4
6,5 4,5 2,5
Auditorium 1,5 1
2 3
11,5 10,5 6,0
16,0 11,2 6,4
16,5 11,5 6,5 Kafeteria/
restaurant
1,5 1
2 3
7,0 4,9 2,8
8,0 5,6 3,2
8,5 5,9 3,3 For å finne ut hvor god luftkvalitet det er ønskelig å ha på en arbeidsplass kan det brukes en skala for oppfattet innendørs luftkvalitet, vist i Tabell 9.
Tabell 9 Tre nivåer av oppfattet innendørs luftkvalitet. Basert på Fanger (1992)
Kvalitetsnivå Oppfattet luftkvalitet
% misfornøyde Desipol
A 10 0,6
B 20 1,4
C 30 2,5
Ventilasjonsmengden som trengs å tilføre i et rom kan beregnes fra følgende formel (Fanger, 1992):
𝑄𝑐 = 10 ∗ 𝐺
𝐶𝑖− 𝐶𝑜∗ 1
𝜀𝑣 (1)
Der:
Qc = ventilasjonsmengde som må tilføres for komfort [l/s]
G = total forurensingsnivå [olf]
Ci = oppfattet innendørs luftkvalitet, ønsket [decipol]
Co = oppfattet utendørs luftkvalitet [decipol]
εv = ventilasjonseffektivitet 2.2.3. PPM/PPD
For å kunne gjøre en vurdering av termisk inneklima er det opprettet to standardiserte indekser, PMV- og PPD-indeksene som uttrykker et kvantifisert mål på den termiske tilstanden til kroppen. For å angi hvordan en føler seg i et termisk henseende kan PMV-indeksen bestemmes på grunnlag av en 7-punkts skala (Tabell 10). Ved å bruke PPD-indeksen kan man gjøre et anslag på hvor mange som vil være misfornøyde ved et gitt inneklima og en gitt bekledning.
Den laveste PPD-indeksen som er forventet å kunne oppnås er 5 %. Standarden NS-ISO 3370 anbefaler en grenseverdi for termisk akseptable omgivelser på ± 5 %, dette tilsvarer en PPD- verdi på < 10 %. Det betyr at 90 % må være tilfreds med det termiske klimaet. Tabell 11 viser de tre nivåene kravene i ISO, CEN og ASHRAE stiller (Novakovic et al., 2007: kap.4.3) (Byggforsk 1999). Sammenhengen mellom PPD og PMV er vist i Figur 3 og er gitt via følgende uttrykk (Ingebrigtsen, 2015: s. 112):
PPD = 100 − 95−(0.03353∗𝑃𝑀𝑉4+ 0.2179∗𝑃𝑀𝑉2) (2)
Tabell 10 Grunnlaget for PMV-indeksen: 7 punkt skalaen
+3 Hett +2 Varmt +1 Noe varmt
0 Nøytralt -1 Noe kjølig -2 Kjølig -3 Kaldt
Tabell 11 Tre nivåer for termisk inneklima, angitt i prosent misfornøyde med hensyn til generell komfort og lokal diskomfort.
Illustrasjon: Byggforskserien 421.505 (SINTEF Byggforsk, 2000)
Kategori Termisk tilstand for kroppen som helhet
Lokalt termisk ubehag
Ventet andel
av misfor nøyde
PMV Andel
misnforøyde pga. trekk
Andel misfornøyde pga. vertikal temperaturfors
kjell
Andel misfornøy
de pga.
varmt eller kaldt
golv
Andel misfornøyde
pga.
strålingsasym metri
% % % % %
1 < 6 -0,2 < PMV < +0,2 < 20 < 5 < 10 < 5
2 < 10 -0,5 < PMV < +0,5 < 15 < 3 < 10 < 5 3 < 15 -0,7 < PMV < +0,7 < 25 < 10 < 15 < 10
Figur 4 viser ventet prosentandel misfornøyde personer en kan forvente som en funksjon av forskjell mellom lufttemperaturen ved hode- og ankelhøyde.
Figur 4 Prosent misfornøyde som funksjon av forskjellen mellom lufttemperatur i hode- og ankelhøyde. Illustrasjon:
Byggforskserien 421.501 (SINTEF Byggforsk, 1999) Figur 3 Sammenheng mellom PPD og PMV. Basert på
Illustrasjon: Byggforskserien 421.501 (SINTEF Byggforsk, 1999)
2.2.4. Internt varmetilskudd
Internt varmetilskudd er varme som tilføres i tillegg til installert oppvarming i oppvarmet del av BRA. Dette er varmeavgivelse fra teknisk utstyr, lys, prosesser og personer som oppholder seg i rommet (Standard Norge, 2014). Når byggene blir tettere og bedre isolert vil dette varmetilskuddet ha en merkbar påvirkning på oppvarming av arealet. NS3031 Tabell A.2 viser standerverdier for gjennomsnittlig varmetilskudd i driftstid: belysning 8 W/m2, teknisk utstyr 11 W/m2 og personer 4 W/m2 gulvareal. Dersom det velges LED-lys med styring vil varmetilskudd fra belysning reduseres betraktelig (Energistyrelsen, 2016). I et cellekontor i et lavenergibygg vil varmetilskudd fra ansatte være dominerende. Varmetilskuddet fra en person som holder på med kontorarbeid er på ca. 100 W, der varmen avgis dels ved konveksjon og stråling til omgivelsene, og dels fra utånding og vanndamp fra huden (Novakovic et al., 2007:
s. 214).
2.2.5. Kaldras
Kaldras oppstår når man har kalde flater som avkjøler luftsjiktet nærmest flaten. Den avkjølte luften blir tyngre enn romluften ellers og vil da strømme nedover med økende hastighet. Dette resulterer i en konveksjonsstrøm nedover mot gulvet. Kaldras har i all hovedsak to uheldige effekter: trekkrisiko på grunn av høy hastighet og lav temperatur på luften og dannelse av en kald luftpute ved gulvet som kan føre til diskomfort på grunn av høy vertikal temperaturgradient (Skåret, 2000: s. 203). Kaldras blir nærmere forklart i kapittel 2.5.2 Konveksjonsstrøm langs varme og kalde flater.
2.2.6. Luftmengder
I TEK10 Kapittel 13 Miljø og Helse finner man de ulike kravene som stilles for at ventilasjonen skal være tilfredsstillende ved at den tilpasses rommets forurensings- og fuktbelastning. I byggverk for publikum og arbeidsbygninger skal gjennomsnittlig frisklufttilførsel være 26 m3 per time på grunn av forurensinger fra en person i lett aktivitet. Gjennomsnittlig frisklufttilførsel per m2 for å ventilere bort lukt og materialemisjon skal være 2,5 m3 per time når bygget er i bruk, og ellers 0,7 m3 per time. (Direktoratet for byggkvalitet, 2011: kap.13–3)
Ligningen nedenfor viser hvordan minste luftmengde for et kontor på 11 m2 med en personbelastning på èn kan beregnes.
26 𝑚3
𝑡 𝑝𝑟. 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛∗ 1 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛 + 2,5 𝑚3
𝑡 𝑝𝑟. 𝑚2∗ 11 𝑚2 = 53,5𝑚3
𝑡 = 14,9 𝑙
𝑠 (3)
2.3. Ventilasjon
2.3.1. Generelle krav til ventilasjon
Kapittel 13 i TEK10 omhandler miljø og helse og omfatter bestemmelser for luftkvalitet, strålingsmiljø, termisk inneklima m.m. Bestemmelsene i dette kapittelet skal bidra til å
forebygge helseskader og negativ komfortopplevelse. Ventilasjon blir omtalt i § 13-1 Generelle krav til ventilasjon og § 13-3 Ventilasjon i byggverk for publikum og arbeidsbygning.
2.3.2. Omrøringsventilasjon
Målet med omrøringsventilasjon er å oppnå en fullstendig blanding av tilluften og luften i rommet. Med perfekt omrøring vil luftkvaliteten være lik i hele rommet og i avtrekket. I praksis vil den gjennomsnittlige kvaliteten på luften være noe lavere i rommet enn i avtrekket. Figur 5 viser hvordan luften blir tilført fra et radielt don i himlingen plassert ovenfor oppholdssonen.
Luften får redusert hastighet, og temperaturen stiger eller synker til et komfortabelt nivå ved å blande seg med romluften før den entrer oppholdssonen. Det finnes flere måter å tilføre frisk luft med omrøringsventilasjon og i de aller fleste tilfeller blir luften tilført over oppholdssonen.
(Byggforsk, 2005) (Byggforsk, 1996) (Tjelflaat, 2015)
Figur 5 Prinsipp for omrøringsventilasjon med radiell don i himling.
Basert på Illustrasjon: Byggforskserien 552.351 (SINTEF Byggforsk, 1996)
Fordelene med omrøringsventilasjon er at den kan benyttes både ved oppvarming og kjøling.
Stor induksjon gjør at det er mulighet for stor kjølekapasitet med tilført luft, det blir lik temperatur og luftkvalitet i hele rommet, det er stabile strømningsmønstre og det er enkelt å plassere luftventiler. På den negative siden kan man få kortslutning og dermed lav ventilasjonseffektivitet. Det trengs større effektbehov ved kjøling og det er risiko for trekk ved kjøling. (Ingebrigtsen, 2015: s. 8)
Omrøringsventilasjon er det mest vanlige prinsippet i kontorbygg, siden det kan brukes til både oppvarming og kjøling (Lavenergiprogrammet, 2016).
2.3.3. Behovsstyrt ventilasjon
Behovsstyrt ventilasjon brukes fordi det er ønskelig å minimere luftmengder, men fortsatt opprettholde et godt inneklima. Så lenge belastningen varierer vil behovsstyring over tid gi en reduksjon i energibehovet (Novakovic et al., 2007: s. 264). Dersom behovsstyring er utført riktig kan energibruken til ventilasjon mer enn halveres. Første skritt for å få en energireduksjon er å stille gode krav. (Mysen and Schild, 2013: s. 20)
Det er ulike måter å styre ventilasjonen på. Det kan skje manuelt eller ved automasjon. Ved automasjon kan friskluftmengden bestemmes ved hjelp av enkel styring etter ur, styring etter bruk, regulering ved hjelp av sensorer eller regulering etter trykkforskjell mellom rom. I denne oppgaven vil det kun bli sett på regulering ved hjelp av sensorer. Sensorregulert ventilasjon reguleres etter forurensingskonsentrasjon, tilstedeværelse, RF eller lufttemperatur.
Forutsetningen for at behovsstyrt ventilasjon skal fungere er at det er én eller noen få kilder til forurensning som dominerer. Disse kildene må heller ikke variere for mye i størrelse over tid.
Kildene må kunne detekteres og det må stilles krav til hva som er et akseptabelt forurensingsnivå for å kunne regulerer ventilasjonen. Den vanligste forurensningsparameteren det styres etter er CO2-konsentrasjon. (Novakovic et al., 2007: s. 264–265) (Byggforsk, 2005)
2.3.4. Variable luftmengder
VAV-systemer omfatter alle ventilasjonssystemer der luftmengdene kan variere. Ved bruk av VAV er det ikke behov for å transportere mer luft rundt i anlegget enn det som trengs og det er derfor kostnadseffektivt (Stensaas, 2001:kap 4.3.6) (Mysen & Schild, 2013:kap.1).
Luftmengden reguleres etter ønsket luftkvalitet. Det må derfor være sensorer i rommene som gir et mål/signal på kvaliteten på romluften og en bevegelsessensor som viser om det er personer i rommet eller om det står tomt. Hva god luft er kan defineres på mange måter. For mer informasjon om dette se kapittel 2.2 Inneklima. For å kunne få optimalt inneklima ved hjelp av VAV er det viktig med korrekt bruk av sensorer.
2.3.5. Sensor
For å kunne få optimal ventilasjon ut fra behov må det brukes gode sensorer. Det stilles derfor en del krav til en sensor som skal brukes i et behovsstyrt ventilasjonssystem. Den må ha tilfredsstillende nøyaktighet, respons og langtidsstabilitet. Det må eksistere pålitelig og tilgjengelige prosedyrer for kalibrering i tillegg til at den må å være selektiv og holdbar overfor de kjemiske, mekaniske og termiske påvirkningene den blir utsatt for (Byggforsk, 2005). Det er også viktig med korrekt plassering for å få representative målinger. Hvor sensoren bør plasseres vil variere med prinsipp for tilluft, ventilplassering, forurensing-/varmekildens plassering og egenskaper, temperaturforhold og romutforming. Ved omrøringsventilasjon skal forurensingkonsentrasjonen, i teorien, være lik overalt i rommet og sensoren kan derfor plasseres hvor som helst så lenge den ikke kommer i direkte kontakt med forurensningskilder eller for nært tilluftsventiler. Dette er derimot ikke tilfelle i praksis og sensoren burde derfor plasseres så sentralt i oppholdssonen som mulig. Ved fortrengningsventilasjon der sensoren blir styrt av CO2-konsentrasjonen burde sensor plasseres i pustesonen slik at man sikrer god ventilasjonseffekt opp til og med pustesonen. (Byggforsk, 2005)
2.3.6. Balansert ventilasjon
Balansert ventilasjon er når det er like mye luft som tilføres som suges ut. Det er dette prinsippet som er mest vanlig i kontorbygg i dag (Lavenergiprogrammet, 2016).
2.3.7. Tosone modell
For å kalkulere korrekt luftmengde blir rommet delt opp i to hovedsoner, nærsonen til ventilen og oppholdssonen. Oppholdssonen begrenses av et horisontalt plan 1,8 m over gulvet, et horisontalt plan 0,05 m over gulvet, et vertikalt plan 0,6 m fra yttervegger og et vertikalt plan 0,2 m fra innervegger (Ingebrigtsen, 2015: s. 426). Nærsonen er den sonen rundt en ventil der lufthastigheten er høyere enn det som tillates i oppholdssonen. Størrelsen på nærsonen avhenger
av hastighet på tilluft og kravet til kritisk hastighet. Sonene for de to ulike prinsippene er vist i Figur 6. Det er her kun vist oppholdssone og nærsone til tilluftsventil og ikke avtrekk da dette ikke vil påvirke hvor oppholdssonen er.
Figur 6 De ulike sonene i et rom med omrøringsventilasjon.
Basert på Illustrasjon: Byggforskserien 552.351 (SINTEF Byggforsk, 1996)
Forurensing og luftstrømmene i sonene for omrøringsventilasjon er vist i Figur 7. De røde kanalene er avtrekk og de blå er tilluft. Det er flere ulike måter å tilføre og suge ut luft og det er i denne figuren kun vist én mulig metode.
Figur 7 Fordeling av forurensing og luftstrømmer ved omrøringsventilasjon.
Rød farge viser forurenset oppvarmet luft og blå ren tilluft, basert på (Integrated Design Consortium)
2.4. Varmetap ved varmeledning
Varmetap gjennom fasaden vil påvirke luftstrømmer og temperatur i rommet, og er påvirket av temperaturforskjellen og varmeledningsevnen (Ingebrigtsen, 2015: s 187). Varmetap gjennom en vegg kan beregnes med følgende formel (Standard Norge, 2014: s 21):
𝐻𝐷 = ∑ 𝑈𝑖 𝑖𝐴𝑖 + ∑ 𝜓𝑘 𝑘𝑙𝑘+ ∑ 𝜒𝑗 𝑗 [W] (4) Der:
Ui = varmeovergangskoeffisienter for ugjennomskinnelig element [W/m2K]
Ai = arealet til elementet basert på innvendige mål i [m2]
Ψk = kuldebroverdien for kuldebro k [W/mK]
Lk = lengden av lineær kuldebroverdi [l]
χj = varmeovergangskoeffisienten for punktformig kuldebro [W/K]
